泡生法藍(lán)寶石晶體生長中固液界面形狀的數(shù)值模擬研究.pdf

1、藍(lán)寶石晶體作為高亮度GaN基發(fā)光二極管的襯底材料，具有廣闊的市場前景及重要的科學(xué)研究價(jià)值。由于天然藍(lán)寶石數(shù)量稀少，化學(xué)成分純度不高且成本昂貴，因而不能被工業(yè)上廣泛使用。人造藍(lán)寶石具有優(yōu)良的熱學(xué)性能、光學(xué)性能和力學(xué)性能，能夠滿足工業(yè)上的使用要求。由于藍(lán)寶石晶體的生長過程耗時(shí)、耗能、成本高，現(xiàn)階段人們利用數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)長晶相結(jié)合，目的是提高晶體質(zhì)量，降低試驗(yàn)成本，并節(jié)約長晶時(shí)間。
　　 本文首先介紹了泡生法藍(lán)寶石晶體生長過程，并結(jié)合

2、傳熱傳質(zhì)和流體力學(xué)方程組，建立了晶體生長的數(shù)學(xué)模型，然后應(yīng)用晶體生長模擬軟件CGsim，對(duì)泡生法藍(lán)寶石晶體生長過程各個(gè)階段的溫場及流場作了模擬及分析。模擬發(fā)現(xiàn):晶體生長過程中，坩堝壁面和靠近固液界面處熔體內(nèi)等溫線分布較密集，意味著溫度梯度較大，這是由于熔體被坩堝側(cè)壁加熱以及結(jié)晶潛熱通過籽晶桿熱交換器帶走引起的。熔體內(nèi)等溫線受熔體對(duì)流的影響發(fā)生扭曲，靠近坩堝底部熔體內(nèi)的等溫線分布較稀疏，其溫度與側(cè)壁熔體溫度相比較低。由此看出坩堝底部對(duì)熔體

3、的加熱作用不明顯。隨著晶體高度的增加，熔體對(duì)流狀態(tài)由放肩階段的兩個(gè)渦胞變成等徑階段的一個(gè)渦胞，熔體對(duì)流變得更加均勻，熔體平均溫度有小幅度下降。
　　 在泡生法藍(lán)寶石單晶生長中，固液界面形狀對(duì)晶體生長質(zhì)量影響極大。本文針對(duì)泡生法藍(lán)寶石晶體生長的固液界面形狀進(jìn)行了數(shù)值模擬，研究了晶體半透明性、放肩角、底部鉬屏保溫層厚度、加熱器側(cè)部和底部功率分配比、生長速率等對(duì)固液界面形狀的影響。模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn):不考慮藍(lán)寶石晶體的半透明性，則固液界面凹